Un des phénomènes qui limite la capacité en courant d’un IGBT est le latch-up de son thyristor parasite (Figure 2-15).
Comme nous l’avons mentionné précédemment, à l’état passant, le courant total est composé d’un courant d’électrons fourni par le MOSFET et d’un courant de trous injectés par la jonction J1 et
collectés par la jonction J3. Ce courant de trous est la somme des courants Ih1 et Ih2 (Figure 2-15). Ih1
représente les trous collectés du côté droit de la cellule, ces trous circulent vers la cathode à travers la résistance RS schématisée sur la Figure 2-15. Ce courant crée ainsi une chute de tension aux bornes de
Chapitre 2 Etude par simulation d’une structure IGBT bidirectionnelle
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la résistance RS qui rend la jonction J3 passante. En fonctionnement normal de l’IGBT, cette chute de
tension peut être minimisée en réduisant la valeur de résistance RS correspondant à la résistance de la
région P sous la diffusion N+ d’émetteur. Dans ces conditions le gain en courant du transistor NPN est très faible minimisant le risque de latch-up. Cependant, quand la densité du courant à l’état passant augmente, la polarisation en direct de la jonction J3 peut devenir suffisante pour augmenter le gain en
courant du transistor NPN. Si la somme des gains en courant des transistors NPN et PNP excède l’unité, le phénomène du latch-up se produit et par conséquent le courant circule directement de l’anode vers la cathode sans pouvoir être commandé.
Figure 2-15. Latch-up du thyristor parasite dans un IGBT
a.Augmentation du niveau de courant de latch-up
L’augmentation de la densité du courant de latch-up peut être obtenue par la diminution du gain en courant du transistor PNP. Pour cela, on augmente le courant des électrons du MOSFET, et on réduit le courant collecteur du PNP.
Il y a deux techniques de base pour réduire le gain en courant du transistor PNP. La première méthode est basée sur la réduction du facteur de transport dans la base N- αT [15]. Cela peut être obtenu par irradiation en électrons qui permet de réduire la durée de vie des porteurs minoritaires et la longueur de diffusion dans la base N-. Cette technique permet aussi de réduire le temps d’ouverture du composant mais augmente la chute de tension à l’état passant.
La deuxième méthode consiste à réduire l’efficacité d’injection de la jonction J1. Cela peut être
obtenu par exemple par l’augmentation de la concentration de la région N-. Mais cela conduit en revanche à la diminution de la tenue en tension à l’état bloqué. Il est possible toutefois d’augmenter le dopage effectif dans la base N- en introduisant une couche buffer N+ côté anode, mais cela n’est valable qu’avec la structure IGBT unidirectionnelle du fait que la structure IGBT bidirectionnelle est
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parfaitement symétrique sur les deux faces. Il est également possible de réduire la concentration de la région P+.
L’augmentation du niveau de courant de latch-up du thyristor parasite peut aussi être obtenue par la réduction du gain en courant du transistor NPN. La technique la plus efficace et la plus largement utilisée est celle qui permet de réduire le gain en courant du NPN. Elle consiste à ajouter une région P+ profonde et fortement dopée dans la base P du transistor NPN. La région N+ du transistor NPN est court-circuitée à la région P par la métallisation de l’électrode. Malgré cela, la jonction J3 peut devenir
passante au point A quand le courant de trous Ih1qui circule à travers la base P atteint une valeur qui
crée un potentiel ≥ 0,7 V. La région P+ doit être localisée à un endroit précis dans la région P de telle sorte que la résistance RS soit minimale et que la tension de seuil ne soit pas affectée (Figure 2-16).
Figure 2-16. Influence de la région P+ sur la résistance Rs
La résistance RS est donnée par [15]:
(
1 2)
1 s SP E SP E R L L Z ρ ρ + = + (2.13)Z est la largeur de la cellule IGBT ; ρSP et ρSP+sont, respectivement les résistances par carré des régions P et P+.
Afin de mettre en évidence l’influence de la région P+ sur le courant de latch-up du thyristor parasite et de valider les paramètres technologiques et géométriques que nous avons fixés pour notre réalisation, nous avons simulé la structure IGBT bidirectionnelle en utilisant les paramètres physiques et géométriques donnés dans le tableau 2.2, avec et sans la diffusion P+. Les résultats obtenus sont représentés Figure 2-17.
Chapitre 2 Etude par simulation d’une structure IGBT bidirectionnelle 58 0 10 20 30 40 50 60 0 400 800 1200 1600
courant de l'IGBT bidirectionnel avec la région P+ JA ( A/ c m 2) VAK (V) Latch-up de l'IGBT bidirectionnel
sans la région P+
(a) (b)
Figure 2-17. Caractéristiques IA(VAK) de la structure IGBT simulée avec et sans la région P
+
. (b)Géométrie de la
structure IGBT simulée avec et sans la région P+.
On constate que le niveau de courant delatch-up du thyristor parasite de la structure IGBT qui contient la région P+est largement supérieur à celui de la structure qui ne contient pas de région P+.
Une autre technique utilisée pour repousser le niveau de courant de latch-up consiste à diminuer l’épaisseur de l’oxyde de grille eox tout en maintenant la valeur de la tension de seuil [15].
On remarque dans l’expression donnant la tension de seuil (2.5) que si on diminue eox d’un
facteur de deux, la concentration en surface de la région P doit être augmentée au moins d’un facteur quatre afin de maintenir la tension de seuil VTh constante. Le fait de pouvoir augmenter la
concentration de la région P permet de réduire considérablement la valeur de la résistance RS.
Afin de vérifier l’influence de l’épaisseur de l’oxyde de grille sur le courant de latch-up du thyristor parasite d’une structure IGBT bidirectionnelle, nous avons simulé la structure en utilisant les paramètres physiques et géométriques donnés dans le tableau 2.2, et en utilisant deux épaisseurs d’oxyde différentes eox = 50 nm et eox = 100 nm. Pour une tension de seuil de l’ordre de 3V, la
concentration en surface de la région P déterminée par simulation 2D est de l’ordre de 2,5.1017 cm-3 pour une épaisseur de l’oxyde de grille de 550Å et de l’ordre de 9.1016 cm-3 pour une épaisseur d’oxyde de grille de 1000Å.
La distribution des lignes de courant avant et après le phénomène de latch-up, dans la structure IGBT simulée avec une épaisseur d’oxyde de grille de 1000Å, est donnée en figure 2-18(a). Les caractéristiques I(V) obtenues par simulation de la structure IGBT pour deux épaisseurs différentes (550Å et 1000Å) d’oxyde de grille sont présentées sur la Figure 2-18 (b).On peut remarquer sur la Figure 2-18-a que le courant circule à travers le canal avant l’apparition du phénomène de latch-up. Une fois lelatch-up survenu, le courant circule par le transistor N-PN+.
Les caractéristiques IA(VAK) montrent qu’effectivement, à tensions de seuil égales, le
phénomène de latch-up se produit dans la structure réalisée avec une épaisseur d’oxyde de grille de 1000Å à un niveau de courant très inferieur à celui de l’autre structure.
59 Avant Latch-up Après Latch-up N+ P N- N+ P N- 0 10 20 30 40 50 60 0 400 800 1200 1600
Latch-up de l'IGBT bidirectionnel avec eox=100nm IGBT bidirectionnel avec eox=50nm JA ( A/ c m 2) VAK (V) (a) (b)
Figure 2-18. (a) Distribution de lignes de courant avant et après la production du latch-up. (b) caractéristiques
IA(VAK) de l’IGBT bidirectionnel pour deux épaisseurs d’oxyde de grille différentes.